棺のコーナー（空気力学）

コフィン コーナー(空力天井^[1]またはQ コーナーとも呼ばれる) は、高速だが亜音速の固定翼航空機の失速速度が、与えられた総重量と重力加速度負荷で、臨界マッハ数に近づく飛行領域です。この飛行領域では、飛行機を安定して飛行させることが非常に困難です。失速速度は水平飛行を維持するために必要な最小速度であるため、速度が低下すると飛行機は失速して高度を失います。臨界マッハ数は、流れの剥離や衝撃波によって揚力を失わずに翼上を空気が移動できる最大速度であるため、速度が増加すると飛行機は揚力を失い、または機首が大きく下がり、高度を失います。

「コーナー」とは、失速速度と臨界マッハ数が数ノット以内にある飛行エンベロープチャートの上部にある三角形を指します。「棺桶」とは、このような失速で死亡する可能性があることを指します。これらが出会う速度が航空機の天井です。これは、高度速度図に見られる自動回転エンベロープの外側にあるヘリコプターに使用される同じ用語とは異なります。

静力学を考慮すると、固定翼航空機が一定の速度で水平直線飛行している場合、主翼の揚力と水平安定板の力 (下向きの場合は負の方向) の合計は航空機の重量に等しく、推力は抗力に等しいことがわかります。ほとんどの場合、この平衡はさまざまな対気速度で発生します。このような最小速度は失速速度、つまりV _SOです。固定翼航空機が失速する指示対気速度は、航空機の重量によって異なりますが、高度によって大きく変化することはありません。失速速度に近い速度では、航空機の翼は大きな迎え角になります。

高度が高いほど、空気の密度は海面よりも低くなります。空気の密度が徐々に減少するため、航空機の高度が上昇するにつれて、その真対気速度は指示対気速度よりも徐々に大きくなります。たとえば、航空機が失速する指示対気速度は一定であると考えられますが、失速する真対気速度は高度とともに増加します。

空気は音を一定の速度、つまり「音速」で伝導します。空気が冷たくなると、音速は遅くなります。大気の温度は一般に高度とともに低下するため (対流圏界面まで)、音速も高度とともに低下します。(高度の関数としての温度の詳細については、国際標準大気を参照してください。)

与えられた対気速度をその空気中の音速で割ると、マッハ数と呼ばれる比率が得られます。マッハ数1.0は、その空気中の音速に等しい対気速度を示します。音速は空気温度とともに増加し、空気温度は一般に高度とともに低下するため、与えられたマッハ数に対する実際の対気速度は一般に高度とともに低下します。^[2]

飛行機が空気中を高速で移動すると、翼の各部の上を流れる気流の速度はマッハ 1.0 に近づきます。このような速度では、翼の上を通過する空気中に衝撃波が形成され、抗力発散によって抗力が急激に増加してマッハバフェットが発生したり、圧力中心が急激に変化して「マッハタック」と呼ばれる機首下げモーメントが発生します。これらの効果が現れる航空機のマッハ数は、臨界マッハ数、または M _CRITとして知られています。臨界マッハ数に対応する真の対気速度は、一般に高度とともに低下します。

飛行エンベロープは、航空機の真対気速度と高度の限界を表すさまざまな曲線のプロットです。一般的に、エンベロープの左上の境界は失速速度を表す曲線で、高度が増加するにつれて増加します。エンベロープの右上の境界は真対気速度で臨界マッハ数を表す曲線で、高度が増加するにつれて減少します。これらの曲線は通常、航空機の最大許容高度よりも高い高度で交差します。この交差点はコフィンコーナー、またはより正式にはQコーナーです。^[3]

上記の説明は、水平、一定速度、総重量、荷重係数1.0 G での飛行に基づいています。コフィン コーナーの特定の高度と速度は重量によって異なり、荷重係数はバンクおよびピッチング操作によって増加します。同様に、失速速度が臨界マッハ数に達する特定の高度は、実際の大気温度によって異なります。

航空機が失速速度以下に減速すると、航空機に作用する力 (重量や向心力など) を打ち消すのに十分な揚力を生成できなくなります。これにより、航空機の高度が低下します。高度が低下すると、パイロットは操縦桿を引いて迎え角を増やすことがあります。これは、通常、迎え角を増やすと航空機が上昇するためです。しかし、翼が臨界迎え角を超えると、迎え角の増加によって揚力が失われ、さらに対気速度が低下し、翼が失速します。翼が臨界迎え角を超えると失速する理由は、翼上部の気流が剥離するためです。

飛行機が臨界マッハ数を超えると（失速防止や回復時など）、抗力が増大するかマッハタックが発生し、飛行機が転覆し、制御を失い、高度を失う可能性があります。いずれの場合も、飛行機が落下するにつれて速度が増し、その後構造的な破損が発生する可能性があります。これは通常、回復の引き抜き段階での過度の重力 加速度によるものです。

飛行機がコフィン コーナーに近づくと、失速速度と臨界マッハ数との間のマージンがどんどん小さくなります。小さな変化によって、片方の翼またはもう一方の翼が制限を超えたり、制限を下回ったりすることがあります。たとえば、旋回すると内側の翼の対気速度が低下し、外側の翼の対気速度が上昇します。飛行機は一度に両方の制限を超える可能性があります。または、乱気流によって対気速度が突然変化し、制限を超える可能性があります。ロッキード U-2などの一部の飛行機は、日常的に「コフィン コーナー」で運航しています。U-2 の場合、飛行機には自動操縦装置が装備されていましたが、信頼性が低かったです。^[4] U-2 の高高度での 1 g失速警報バフェットとマッハ バフェット間の速度マージンは、5 ノットほど小さい場合があります。^[5]

臨界マッハ数近くまで飛行できる航空機には通常、マッハ数で速度を示す計器であるマッハメーターが搭載されています。アメリカ合衆国の航空機認証の一環として、連邦航空局(FAA) はマッハ数、つまり M _MOで最大運用速度を認証しています。

高高度で飛行中の高性能航空機が一連の墜落事故を起こし、その原因ははっきりせず、航空機はほぼ全損したため、FAAは高性能航空機の高高度運航における乗務員訓練の改善に関するガイドラインを制定する勧告回覧を発行した。この回覧には、コフィンコーナー付近での空力的影響と運航に関する包括的な説明が含まれている。^[3]

高高度飛行ではマッハ数の増加の影響により、特定の構成で予想される飛行特性が大幅に変化する可能性があります。これは、高高度でのピトー管の対気速度表示に対する氷結晶の影響を説明したレポートで指摘されています。

「…バフェット発生の[迎え角] AOA は、低高度での失速 AOA よりもかなり小さい。例えば、カナダ国立研究評議会が実施し、第 24 回国際航空科学会議で発表された「高速ビジネス ジェットの空力低速バフェット境界特性」と題する飛行試験プロジェクトでは、低速バフェット試験を実施するために、後退角の大きい翼を持つ中型容量の高速ビジネス ジェットが使用された。高度約 13,000 フィートで、バフェット発生 AOA は 16.84 度で発生した。対照的に、FL 450 での直線水平飛行では、バフェット発生 AOA は 6.95 度であった。言い換えれば、マッハ効果により AOA の範囲が制限されるため、高高度ではピッチ姿勢に注意する必要がある。」^[6]

• ヘリコプターの高度速度図

• 棺のコーナー図（ドイツ語）。